基于混合模式磁流變阻尼的有限元分析及實驗

劉薇娜， 王勐

（長春理工大學，長春130022）

0 引言

磁流變液是由微米級的磁化顆粒分布于非導磁載體液中所形成的懸浮液。通過控制磁場強度可達到對磁流變液流變特性的控制。在磁場作用下，磁流變液可從自由流體狀態瞬間變成固態。其微觀結構中彌散的導磁顆粒產生偶極距，通過極偶子之間的作用，形成與外加磁場方向平行的鏈狀結構。這些鏈狀結構的產生大大限制了液體的流動。利用這一特性，通過改變磁場強度，即可產生相應的力和力矩。根據這一特性制成的機械裝置主要有阻尼器、離合器制動器和變速箱等。

與磁流變阻尼器相比，傳統的液壓阻尼器是通過調整位于活塞內的特定液壓閥實現機械操控，這種阻尼器調整周期往往比較固定，對于復雜的振動信號阻尼效果不是很理想，因此開發和研制出半主動控制磁流變阻尼器越來越受到研究人員的青睞。

1 磁流變阻尼器簡介

許多研究人員對磁流變阻尼器的應用進行了大量的實驗，他們發現磁流變阻尼器的工作模式通常分為4種：流動模式、剪切模式、擠壓模式以及基于它們3種的混合模式。前3種模式是根據磁流變液在兩極板之間不同的工作條件劃分的。流動模式中磁流變液在壓力和阻尼力的共同作用下，沿兩固定極板之間流動，在剪切模式中，磁流變液位于兩相對運動的極板之間產生剪切阻尼力。在擠壓模式中，一極板固定，另一極板通過調整兩者間距對磁流變液產生擠壓效果。大量的研究結果表明，剪切模式和擠壓模式會產生較大的阻尼力，且可調范圍廣。同時，在剪切模式下，磁流變液可避免在高磁場狀態下產生固化狀態。但與其他模式相比，來自磁流變效應產生的阻尼力相對較小，在擠壓模式中，雖然可產生較大阻尼力，但這一工作模式只能在一個非常小的振動區域內才能有效工作。一些研究表明，相比于單一的工作模式，這些工作模式的混合可以達到性能的改進。使用多個流體模式的磁流變阻尼器是為了克服單一模式的缺點。例如埃爾西瓦德和馬克尤恩結合擠壓模式與剪切摸式，可獲得更好的阻尼力，他們使用的兩個電磁線圈產生的磁場電流范圍從0～0.1 A。該實驗結果表明，在混合模式下，只用一半的電流即可產生與單一擠壓或剪切模式下相同大小的阻尼力。此外，瓊恩等利用基于混合模式的磁流變阻尼器為小型的建筑設施提供抗震裝置。他們證明相比于單一剪切模式或擠壓模式，應用混合模式的磁流變阻尼器可針對小激勵產生大阻尼力，且在高磁場強度下不會導致鎖止狀態的發生。同時，瓊恩開發研制基于混合模式的新型柔性梁結構，用以削弱外部振動帶來的干擾。

應用有限元分析軟件來模擬由磁流變阻尼器在電磁回路中產生的磁場。然后通過磁場分析來進行實驗以觀察阻尼器的性能。

2 阻尼器的模擬實驗

圖1所示為加文等設計的磁流變阻尼器的設計理念。阻尼器的設計包括不同的幾何尺寸，分別為：極性線圈在活塞筒上的纏繞長度L1、活塞直徑DD,活塞桿直徑DR、工作間隙S，阻尼通道長度S1，活塞桿長度LD和活塞長度T。該阻尼器主要為工作活塞和阻尼器筒。在活塞上串聯纏繞3種不同的線圈。與用單一線圈纏繞相比，這種纏繞方式的優點在于可以降低電路中其余部分的電感強度，即可縮短響應時間。磁流變阻尼器阻尼力主要來源于阻尼器的有效工作區。剪切模式和擠壓模式需要較大的激活區域才能獲得較大的阻尼力。對于單級活塞阻尼器，隨著激活區域中流體間隙的不斷增大，會大大降低阻尼器的敏感性。因此，對于多線圈阻尼器的設計往往要求在約束體積的前提下通過調整工作間隙的大小來獲得相應的阻尼力。

如圖1所示，兩線圈纏繞的方向彼此相反用以產生磁場。磁場方向通過圖中箭頭表示。線圈的符號為正表示線圈按順時針方向纏繞，線圈為負表示線圈按逆時針方向纏繞。線圈的交變極性可以活塞兩相鄰剪切面的磁場強度。通過改變施加電流的大小和工作區域來獲得較高的磁場強度。在這項研究中選用的26AWG銅絲,其截面直徑0.4 mm、最大通過電流約為0.4 A，線圈在活塞上共纏繞750匝，此外，在頂部和底部端蓋上纏繞625匝線圈。

2.1 材料和設備

MRF-132D液體，是一種烴類磁流變液體，由美國福特公司開發研制，用于各種混合模式下的磁流變裝置，如阻尼器、制動器和離合器等。圖2給出被測MRF-132DG磁流變液的磁感應曲線，該B-H曲線近似呈線性的磁學性質。

圖1 磁流變阻尼器結構設計圖

圖2 磁流變液磁化特性曲線（B-H）

磁流變液本身的磁學性質是磁流變阻尼器電磁電路設計的重要依據之一。通過有限元軟件來模擬和分析基于混合模式阻尼器中的電磁電路磁場。通過輸入阻尼器的幾何尺寸、材料、線圈匝數以及電流大小等重要參數來完成磁場強度分布的模擬。此外，非導磁材料的磁學性質被假定為線性。而導磁體的磁學性質被假定遵循軟件本身給出的B-H曲線。

2.2 磁場分析

磁流變阻尼器的電磁電路設計的目的是為了找到有效區域內的最佳磁通密度從而獲得阻尼器的最佳設計。這是磁流變阻尼器最重要的研究領域。在阻尼器的磁路設計中，應使得阻尼通道內的磁場強度最先達到飽和。因此設計一個新的阻尼器需要測定多個參數。為了得到磁流變阻尼器磁場強度的最佳值，需要調整8個不同參數：材料選擇，線圈極性，活塞和活塞桿長度，剪切和擠壓間隙，活塞直徑和外殼厚度。如圖3給出磁流變阻尼器模擬磁通密度的分布。阻尼器中的磁場被視為集中由電磁線圈產生。磁感線通過活塞、活塞桿以及磁流變液構成閉合回路。磁場強度的增加會大幅改變阻尼器的性能指標。該阻尼器由纏繞在活塞缸以及頂部和底部端蓋的線圈產生磁場。在該阻尼器中纏繞在活塞缸區域內的線圈工作時應具有產生滿足磁流變液的最大屈服應力的能力。為了增加整個有效區域的磁場強度，磁通在阻尼器中的長度應設計成最小化。對于上述要求，應采用合理的結構設計和適當的材料來保證磁通沿著活塞、活塞桿、頂部和底部端蓋構成閉合回路。

圖3 模擬MR阻尼器磁通密度分布

如圖4～圖6所示的為當線圈輸入0.4A電流工作間隙設定在1～2 mm磁通密度的分布圖。分別沿阻尼通道的長度取磁通密度的平均值。圖5所示為沿工作間隙中心線方向的磁通密度分布圖。圖5（a）中磁感線的方向垂直于在剪切模式下磁流變液的流動方向。此外，極性相反的線圈用以產生更多的磁通線。有3組線圈在阻尼器3個不同方位上產生的磁通線經過互相干涉，在活塞桿上形成3個峰值。分別為峰1、峰2、峰3。各峰值的平均值分別為 0.079T、0.066T、0.040T。圖6為擠壓工作模式下磁通密度分布圖。圖中紅色居中線代表磁場強度的平均值。擠壓間隙的磁場強度的平均值為0.2T，磁場強度值幾乎從中央區域開示增加，然后距阻尼器的中心約7mm處，磁通密度值逐漸減小，14 mm過后，磁通密度幾乎衰減為0。

圖4 基于混合工作模式下的磁通密度分布圖

圖5

圖7

2.3 外加電流的影響

圖7 所示為當施加不同大小的電流時，阻尼器內各部分磁通密度的分布情況。圖7表明，隨著電流從0.1 A增加至0.4 A，剪切和擠壓區的磁通密度不斷增大。圖7（b）為擠壓模式下的平均磁通密度分布圖，從圖中可以看出，當距離從10 mm增至14 m時，曲線趨于靠攏，并逐漸衰減為0。擠壓模式下磁通密度的平均值取自活塞底部的中心線。

2.4 初始間隙大小的影響

圖8所示為當外界施加相同大小的電流時，初始間隙從2 mm降至0 mm時磁通密度的分布情況。從圖8中可以看出隨著初始間隙的增加，磁通密度反而減小。

圖8 不同強度電流下磁通密度隨初始間隙尺寸變化分布圖

3 結論

通過模擬實驗來分析影響阻尼器磁通密度分布情況的因素。了解剪切模式和擠壓模式下，電流強度和初始間隙的變化對磁通密度分布影響，為阻尼器的進一步設計提供了參考數據。應用單一變量分析法有助于對阻尼器的電磁學性質進行全面的分析了解。

［1］ Imaduddin F，Mazlan S A，Zamzuri H.A design and modeling review of rotary magnetorheological damper ［J］.Mater Des，2013，51:575-591.

［2］ Wereley NM，Pang L.Nondimensional analysis of semi-active electrorheological and magnetorheological dampers using approximate parallel plate models ［J］.Smart Mater Struct，1998，7（5）：732-743.

［3］ Wereley N M，Cho J U，Choi Y T，et al.Magnetorheological dampers in shear mode ［J］.Smart Mater Struct，2008，17（1）：015022.

［4］ Farjoud A，Cavey R，Ahmadian M，et al.Magnetorheological fluid behavior in squeeze mode ［J］.Smart Mater Struct，2009，18（9）:095001.

［5］ Brigley M，Choi Y T，Wereley N M，Choi S B.Magnetorheological isolators using multiple fluids modes.J Intell Mater Syst Struct，2007，18（12）:1143-1148.

［6］ 廖昌榮，陳偉民，余淼，等．基于混合模式的汽車磁流變減振器阻尼特性分析與測試［J］．機械工程學報，2001，37（5）：11-14.

［7］ 張紅輝，廖昌榮，等．磁場有限元在估計磁流變阻尼器性能中的應用［J］．重慶大學學報，2005，28（10）：9-12.